Лекция 4 “Аппаратные средства и периферийные устройства

Лекция 4
“Аппаратные средства
информации ”.
и
периферийные
устройства.
Устройства
хранения
Если во время разговора вас спрашивают относительно того, что вы знаете о типах
аппаратных средств компьютеров, которые вы ранее использовали, вы должны уметь дать
четкий ответ. В сегодняшнем деловом мире вы должны знать аппаратные средства
компьютера, которые являются такими же типичными компонентами, как руль, двигатель и
двери привычного всем автомобиля.
Аппаратные средства ввода (input hardware) – устройства, передающие данные,
программы или сигналы в процессор. Такие устройства обеспечивают интерфейс
пользователя, их наиболее типичным примером является клавиатура (keyboard). Среди
современных устройств ввода следует отметить планшеты ввода данных (data tablet),
терминалы сбора данных (data collection), устройства распознавания речи, устройства
считывания с карт (card reader) и документов (document reader) и, конечно же, мышку
(mouse).
Аппаратные средства обработки (processing hardware) – задачей аппаратных средств
обработки является интерпретация и выполнение команд программного обеспечения
компьютера. Основными компонентами аппаратных средств обработки являются –
центральный процессор и оперативная память. Центральный процессор (Central processing
unit, CPU) – основной рабочий элемент компьютера. Обычно подразумевается арифметикологическое устройство и устройство управления. Однако, по мере того, как функции
вычислительной системы становятся все более распределенными и автономными, этот
термин приобретает все более широкое толкование.
Аппаратные средства запоминающего устройства (storage hardware) - устройства,
способные принимать и сохранять информацию для последующего считывания. Сюда
входит широкий диапазон устройств с различными емкостями памяти и скоростями работы.
Аппаратные средства вывода (output hardware) – устройства, которые преобразуют
электрические сигналы, представляющие информацию внутри компьютера в какую-либо
форму, в которой они могут существовать и пересылаться вне компьютера. Печатающие
устройства (printer) и дисплеи (display) являются наиболее распространенными типами
устройств вывода для связи с оператором, но стали появляться устройства с речевым
выводом информации.
Отпечатанная на каком-либо устройстве копия выходной информации, полученная от
вычислительной системы, именуется документальная копия или печатная копия
(hardcopy).
Форма кратковременного хранения выходной информации такая, как, например, текстовая
или графическая информация на устройстве визуального отображения или выходное
сообщение устройства речевого ответа именуется недокументальная копия (softcopy).
Периферийные устройства. Периферийным называется любое устройство, конструктивно
отдельное от центральной части персонального компьютера, имеющее собственное
управление и выполняющее запросы микропроцессора без его непосредственного
вмешательства.
По функциональному признаку все периферийные устройства делятся на две большие
группы:


внешние запоминающие устройства, служащие дополнительным энергозависимым, более
медленным, но более емким устройством долговременного хранения информации
(программ, данных и т.д.)
устройства ввода-вывода, обеспечивающие общее пользование микрокомпьютером.
По необходимости компьютерной системе все периферийные устройства, также можно
разделить на две группы:


стандартные периферийные устройства - те, без которых работа компьютерной
системы практически невозможна;
дополнительные или факультативные периферийные устройства - те, работа без
которых возможна, но их использование существенно улучшают и упрощают работу
компьютерной системы.
Внешняя память - это память, реализованная в виде внешних, относительно материнской
платы, устройств с разными принципами хранения информации и типами носителей,
предназначенных для долговременного хранения информации. В частности, внешняя
память хранит все программное обеспечение компьютера. Устройства внешней памяти
могут размещаться как в системном блоке компьютера, так и в отдельных корпусах.
Физически, внешняя память реализована в виде накопителей.
Накопители - это запоминающие устройства, предназначенные для продолжительного (не
зависящие от электропитания - энергонезависимые) хранения больших объемов
информации. Емкость накопителей в сотни раз превышает емкость оперативной памяти
или вообще неограничена, когда речь идет о накопителях со сменными носителями.
Накопитель можно рассматривать как совокупность носителя и соответствующего привода.
Различают накопители со сменными и постоянными носителями.
Привод - это объединение механизма чтения-записи данных и информации с
соответствующими электронными схемами управления. Его конструкция определяется
принципом действия и видом носителя.
Носитель - это физическая среда хранения информации, по внешнему виду может быть
дисковым или ленточным. По принципу запоминания различают:



Магнитные
оптические
магнитооптические носители.
Ленточные носители могут быть лишь магнитными, в дисковых носителях используют
магнитные, магнитооптические и оптические методы записи-чтения информации.
Самыми распространенными являются накопители на дисках, которые делятся на:



накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД)
накопители на гибких магнитных дисках (НГМД)
накопители на оптических дисках CD-ROM, CD-R, CD-RW и DVD-ROM.
Жесткий диск. Жесткий диск – основное устройство для долговременного хранения
больших объемов данных и программ. На самом деле это не один диск, а группа соосных
дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью (Рис. 8). Таким
образом, этот «диск» имеет не две поверхности, как должно быть у обычного плоского
диска, а 2n поверхностей, где n – число отдельных дисков в группе.
Рис. 8. Устройство жесткого диска
Над каждой поверхностью располагается головка, предназначенная для чтения-записи
данных. При высоких скоростях вращения дисков (90-250 об/с) в зазоре между головкой и
поверхностью образуется аэродинамическая подушка, и головка парит над магнитной
поверхностью на высоте, составляющей несколько тысячных долей миллиметра. При
изменении силы тока, протекающего через головку, происходит изменение напряженности
динамического магнитного поля в зазоре, что вызывает изменения в стационарном
магнитном поле ферромагнитных частиц, образующих покрытие диска. Так осуществляется
запись данных на магнитный диск.
Операция считывания происходит в обратном порядке. Намагниченные частицы покрытия,
проносящиеся на высокой скорости вблизи головки (Рис. 9), наводят в ней ЭДС
самоиндукции. Электромагнитные сигналы, возникающие при этом, усиливаются и
передаются на обработку.
Рис. 9.
Головка чтения-записи данных.
Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно-логическое
устройство – контроллер жесткого диска. В прошлом оно представляло собой отдельную
дочернюю плату, которую подключали к одному из свободных слотов материнской платы. В
настоящее время функции контроллеров дисков частично интегрированы в сам жесткий
диск, а частично выполняются микросхемами, входящими в микропроцессорный комплект
(чипсет), хотя некоторые виды высокопроизводительных контроллеров жестких дисков попрежнему могут поставляться на отдельной плате.
К основным параметрам жестких дисков относятся:



емкость
производительность
Время доступа
Емкость дисков зависит от технологии их изготовления. В настоящее время большинство
производителей жестких дисков используют изобретенную компанией IBM технологию
GMR ( Giant Magnetic Resistance), которая позволяет размещать на пластине 40 и более
Гбайт, но развитие продолжается.
С другой стороны, производительность жестких дисков меньше зависит от технологии их
изготовления. Сегодня все жесткие диски имеют очень высокий показатель скорости
внутренней передачи данных (до 30-60 Мбайт/с) и потому их производительность в первую
очередь зависит от характеристик интерфейса, с помощью которого они связаны с
материнской платой.
В зависимости от типа интерфейса разброс значений может быть очень большим:



EIDE от нескольких Мбайт/с до 13-16 Мбайт/с;
SCSI до 80 Мбайт/с
IEEE 1394 и Serial ATA от 50 Мбайт/с.
Кроме скорости передачи данных с производительностью диска напрямую связан параметр
среднего времени доступа. Он определяет интервал времени, необходимый для поиска
нужных данных и зависит от скорости вращения диска. Для дисков, вращающихся с
частотой 5400 об/мин, среднее время доступа составляет 9-10 мкс, для дисков с частотой
7200 об/мин -7-8 мкс. Диски более высокого уровня обеспечивают среднее время доступа к
данным 4-6 мкс.
Гибкий диск. Информация на жестком диске может храниться годами, однако иногда
требуется ее перенос с одного компьютера на другой. Несмотря на свое название, жесткий
диск является весьма хрупким прибором, чувствительным к перегрузкам, ударам и толчкам.
Теоретически, переносить информацию с одного рабочего места на другое путем переноса
жесткого диска возможно и в некоторых случаях так и поступают, но все-таки этот прием
считается нетехнологичным, поскольку требует особой аккуратности и определенной
квалификации.
Для оперативного переноса небольших объемов информации используют так называемые
гибкие магнитные диски (дискеты), которые вставляют в специальный накопитель-дисковод.
Приемное отверстие накопителя находится на лицевой панели системного блока.
Правильное направление подачи гибкого диска отмечено стрелкой на его пластиковом
кожухе.
Основными параметрами гибких дисков являются:



технологический размер (измеряется в дюймах),
плотность записи(измеряется в квадратных единицах)
полная емкость.
Гибкие диски размером 3,5 дюйма выпускают с 1980 года. На протяжении существования
этой технологии хранения информации было несколько стандартов дисков, но на
сегодняшний день используют диски HD (High density – высокая плотность) емкостью 1440
Кбайт (1,4 Мбайт).
С нижней стороны гибкий диск имеет центральную втулку, которая захватывается
шпинделем дисковода и приводится во вращение. Магнитная поверхность прикрыта
сдвигающейся шторкой для защиты от влаги, грязи и пыли. Если на гибком диске записаны
ценные данные, его можно защитить от стирания и перезаписи, сдвинув защитную задвижку
так, чтобы образовалось открытое отверстие. Для разрешения записи задвижку перемещают
в обратную сторону и перекрывают отверстие. В некоторых случаях для безусловной защиты
информации на диске задвижку выламывают физически, но и в этом случае разрешить
запись на диск можно, если, например, заклеить образовавшееся отверстие тонкой полоской
липкой ленты.
Гибкие диски считают малонадежными носителями информации. Пыль, грязь, влага,
температурные перепады и внешние электромагнитные поля очень часто становятся
причиной частичной или полной утраты данных, хранившихся на гибком диске. Поэтому
использовать гибкие диски в качестве основного средства хранения информации
недопустимо. Их используют только для транспортировки информации или в качестве
дополнительного (резервного) средства хранения. Однако грядет время отказа от этого вида
носителей, в виду резкого подешевения флеш-носителей (памяти).
При передаче данных на гибком носителе следует придерживаться следующих правил:


Все данные передаются в двух или более экземплярах.
Данные не удаляются с жесткого диска до тех пор, пока потребитель не подтвердил их
благополучное получение, например по телефону.
При использовании гибких носителей в качестве резервного средства хранения данных
следует придерживаться следующих рекомендаций:


Если эти данные неизменяемые, следует создать одну копию на гибком носителе, но не
удалять данные с жесткого диска. Если данные с жесткого диска следует удалить,
количество копий, закладываемых на хранение, должно быть не менее двух.
Если резервируемые данные подлежат периодическому изменению, то с жесткого диска
их не удаляют, а количество резервных копий на гибких дисках должно быть не менее
двух. Для этих копий устраивают периодическую ротацию с заданной периодичностью.
Например, в конце первой рабочей недели копируют данные с жесткого диска на первый
резервный комплект, а в конце второй недели – на второй резервный комплект, после
чего еженедельно производят ротацию резервных комплектов.
При получении данных на гибком диске (или другом носителе) следует придерживаться
следующих рекомендаций:




До начала работы с данными диск следует проверить антивирусными программными
средствами. Среди вредоносных программ есть такие, которые поражают не только
файлы программ и данных, но и носители информации. Даже «чистый» гибкий диск
может содержать так называемые «загрузочные» или бутовые вирусы.
С данными, поставленными на гибком диске, работать не рекомендуется. Это не только
непроизводительно, но и небезопасно (для данных). Прежде всего - следует скопировать
полученные данные на жесткий диск компьютера, после чего работать только с жестким
диском.
Даже если работа с полученными данными в ближайшее время не предполагается, все
равно их следует скопировать на жесткий диск немедленно после получения, так как во
время хранения гибкого диска данные могут быть утрачены.
Правила делового этикета требуют немедленно после копирования данных с гибкого
диска на жесткий оповестить лицо, предоставившее гибкий диск, о том, что прием
данных состоялся. Это позволит ему сознательно распорядиться своими резервными
копиями.
Как уже говорилось выше, в современных условиях происходит постепенный отказ и от
этого типа носителей, которые вытесняются записывающими дисководами CD-RW и Флэш
памятью, а в ближайшем будущем и высокоёмкими DVD технологиями.
Компакт-диск. В период 1994-1995 годов в базовую конфигурацию персональных
компьютеров перестали включать дисководы гибких дисков диаметром 5,25 дюйма, но
вместо них стандартной стала считаться установка дисковода CD-ROM, имеющего такие же
внешние размеры.
Рис 10. Компакт диск.
Аббревиатура CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) переводится на русский язык, как
постоянное запоминающее устройство на основе компакт-диска. Принцип действия этого
устройства состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча,
отражающегося от поверхности диска. Цифровая запись на компакт-диске отличается от
записи на магнитных дисках очень высокой плотностью. Стандартный компакт-диск может
хранить примерно 650-700 Мбайт данных.
Рис 11. CD привод
Большие объемы данных характерны для мультимедийной информации (графика, музыка,
видео), поэтому дисководы CD-ROM относят к аппаратным средствам мультимедиа (Рис.
11). Программные продукты, распространяемые на компакт-дисках, называются
мультимедийными изданиями. Основным недостатком стандартных дисков CD-ROM
является невозможность записи данных, но параллельно с ними сегодня существуют и
устройства записи компакт-дисков – дисководы CD-RW. Для записи на этом устройстве
используются специальные заготовки, которые позволяют производить перезапись данных,
то есть удалять данные и записывать другую информацию.
Основным параметром дисководов CD-ROM (RW), является скорость чтения (записи)
информации. За единицу измерения принята скорость чтения музыкальных компакт-дисков,
которая составляет в пересчете на данные 150 Кбайт/с. Таким образом, дисковод с удвоенной
скоростью чтения будет иметь 300 Кбайт/с, учетверенная 600 Кбайт/с и т.д. В настоящее
время наибольшее распространение имеют устройства со скоростью чтения 48х-56х. Для
заготовок, рассчитанных на однократную запись, скорость записи в соответствующих
устройствах не уступает скорости чтения, для заготовок многоразовой записи скорость
записи может составлять 12х-24х, в то время как скорость чтения 48х-56х.
Накопитель DVD (Digital Video Disk)
Устройство для чтения цифровых видеозаписей. Внешне DVD-диск похож на обычный CDROM (диаметр - 120 мм, толщина 1,2 мм), однако отличается от него тем, что на одной
стороне DVD-диска может быть записано до 4,7 Гбайт, а на двух - до 9,4 Гбайт. В случае
использования двухслойной схемы записи на одной стороне можно разместить уже до 8,5
Гбайт информации, соответственно на двух сторонах - около 17 Гбайт. DVD-диски
допускают перезапись информации.
Флэш-память. Разновидность ЭСППЗУ, ее полное название Flash Erase EEPROM
(Electronically Erasable Programmable ROM) можно перевести как «быстро электрически
стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство». Другими словами,
флэш-память — это энергонезависимая (т. е. непотребляющая энергии при хранении
данных) перезаписываемая (т. е. данные можно стереть и записать заново при помощи
электрического тока) память, содержимое которой можно быстро стереть (Flash Erase).
Преимущества флэш-памяти по сравнению с другими средствами переноса и хранения
данных очевидны:


высокая надежность и ударопрочность (результат отсутствия движущихся компонентов
и простоты механической конструкции носителей и накопителей)
малое энергопотребление, компактность.
Однако у нее есть недостатки:


ограниченное количество циклов перезаписи (от 10 тыс. до 1 млн.)
относительно медленная работа.
Флэш-память появилась довольно давно — первые образцы были разработаны компанией
Toshiba еще в 1984 г., — однако массовое ее использование началось только несколько лет
назад с появлением цифровых фотокамер. Сейчас флэш-память с каждым годом все
активнее применяется для хранения и переноса данных и в ближайшее время, судя по
всему, этот рынок будет активно развиваться. Сегодня производители выпускают
накопители на флэш-памяти нескольких типов: карты Compact Flash, SmartMedia,
MultiMedia Card, SecureDigital Card, Memory Stick и USB-накопители.
ATA Flash. Первыми накопителями на флэш-памяти, появившимися на рынке, были карты
ATA Flash. Эти накопители изготавливаются в виде стандартных карт PC Card (Рис. 12).
Кроме микросхем флэш-памяти в них устанавливается ATA-контроллер, при работе они
эмулируют обычный IDE-диск. Интерфейс этих карт — параллельный. Карты ATA Flash не
получили широкого распространения и в настоящее время используются крайне редко.
Рис. 12. Карты ATA Flash
Compact Flash. Карты Compact Flash (CF) были предложены компанией SanDisk в качестве
более компактной и удобной в работе альтернативы картам ATA Flash. Поэтому
разработчики стандарта CF предусмотрели возможность работы этих карт как устройств PC
Card или как IDE-устройств. В первом случае карты работают как обычные устройства PC
Card и их интерфейс «превращается» в шину PC Card, во втором — как жесткие IDE-диски
и их интерфейс функционирует, как шина ATAPI (Рис. 13).
Карты CF впервые появились в 1994 г. Все карты этого типа имеют 50-контактный
параллельный интерфейс. Существуют карты CF двух типов — Type I и Type II. Карты
Type II на два миллиметра толще и появились только потому, что раньше тонкие корпуса
карт Type I не позволяли разместить внутри флэш-память большого объема. В настоящее
время это ограничение стало несущественным и карты Type II постепенно уходят с рынка.
Отметим, что в накопители для карт Type II можно устанавливать карты Type I, тогда как
обратное невозможно.
Рис.13. Карта Compact Flash
SmartMedia. Конструкция карт SmartMedia (SM) чрезвычайно проста. В карте SM нет
встроенного контроллера интерфейса; по сути это одна или две микросхемы флэш-памяти,
«упакованные» в пластиковый кожух (Рис. 14). Стандарт SM был разработан компаниями
Toshiba и Samsung в 1995 г. Интерфейс карт SM — параллельный, 22-контактный, но из
них для передачи данных используется только восемь линий.
Рис.14. Карта SmartMedia
MultiMedia Card. Карты MultiMedia Card (MMC) имеют семиконтактный
последовательный интерфейс, который может работать на частоте до 20 МГц. Внутри
пластикового корпуса карты размещается микросхема флэш-памяти и контроллер MMCинтерфейса (Рис. 15). Стандарт MMC предложен в 1997 г. компаниями Hitachi, SanDisk и
Siemens.
Рис.15. Карта MultiMedia Card
SecureDigital Card. SecureDigital Card (SD) — самый молодой стандарт флэш-карт — был
разработан в 2000 г. компаниями Matsushita, SanDisk и Toshiba (Рис. 16). Фактически SD —
это дальнейшее развитие стандарта MMC, поэтому карты MMC можно устанавливать в
накопители SD (обратное неверно). Интерфейс SD — девятиконтактный, последовательно-
параллельный (данные могут передаваться по одной, двум или четырем линиям
одновременно), работает на частоте до 25 МГц. Карты SD оснащаются переключателем для
защиты содержимого от записи (стандартом также предусмотрена модификация без такого
переключателя).
Рис.16. Карта SecureDigital Card
Memory Stick. Стандарт флэш-карт с 10-контактным последовательным интерфейсом,
работающим на частоте до 20 МГц, и переключателем для защиты от записи (Рис. 17).
Memory Stick (MS) активно продвигается на рынок компанией Sony, предложившей его в
1998 г.
Рис.17. Карта Memory Stick
USB-флэш-память. USB-флэш-память (USB-память) — совершенно новый тип флэшнакопителей, появившийся на рынке в 2001 г. По форме USB-память напоминает брелок
продолговатой формы, состоящий из двух половинок — защитного колпачка и собственно
накопителя с USB-разъемом (внутри него размещаются одна или две микросхемы флэшпамяти и USB-контроллер). Однако нынешние производители могут предложить и другие,
не менее интересные варианты оформления флэш-памяти (Рис. 18).
Рис.18. Карта
Работать с USB-памятью очень удобно — для этого не требуется никаких дополнительных
устройств. Достаточно иметь под рукой ПК с ОС Windows с незанятым USB-портом, чтобы
за две минуты «добраться» до содержимого этого накопителя. В худшем случае вам
придется установить драйверы USB-памяти, в лучшем — новое USB-устройство и
логический диск появятся в системе автоматически. Возможно в будущем USB-память
станет основным типом устройств для хранения и переноса небольших объемов данных.
Интересно отметить, что по скорости последовательной записи флэш-память превосходит
диски CD-RW и магнито-оптические носители и уступает только DVD-дискам. Это
отражает ориентацию разработчиков флэш-памяти в первую очередь на увеличение
скорости последовательной записи, поскольку именно этот параметр особенно важен для
цифровых фотокамер, для которых большей частью предназначались флэш-карты.
Из сказанного можно сделать вывод, что флэш-память — бесспорный лидер по
надежности, мобильности и энергопотреблению среди накопителей небольшой и средней
емкости, обладающий к тому же неплохим быстродействием и достаточным объемом (на
сегодня на рынке уже имеются флэш-карты емкостью до 2 Гбайт). Несомненно, это очень
перспективный тип накопителей, однако их широкое использование пока сдерживается
относительно высокими ценами.
Вопросы для самоконтроля.
1. Перечислите категории аппаратных средств компьютерной системы?
2. Что такое аппаратные средства ввода?
3. Перечислите известные вам устройства ввода?
4. Что такое аппаратные средства обработки?
5. Перечислите основные устройства средств обработки?
6. Что такое устройства хранения информации?
7. Что такое устройства вывода?
8. Что такое документальная копия?
9. Что такое недокументальная копия?
10. Что такое периферийное устройство?
11. Перечислите категории периферийных устройств по функциональному признаку?
12. Что такое стандартные и факультативные периферийные устройства?
13. Что такое внешняя память?
14. Что такое накопители?
15. Что такое привод?
16. Что такое носитель?
17. Перечислите носители по принципу сохранения информации.
18. Расшифруйте аббревиатуру НЖМД.
19. Расшифруйте аббревиатуру НГМД.
20. Какой принцип хранения информации на CD-R, CD-RW и DVD-ROM?
21. Что такое жесткий диск?
22. Какое устройство управляет работой жесткого диска?
23. Перечислите основные параметры жестких дисков.
24. Что такое гибкий диск?
25. Перечислите основные параметры гибких дисков.
26. Какой стандартный размер и емкость гибких дисков?
27. Как называется устройство для чтения-записи цифровых видеозаписей?
28. Назовите основное отличие DVD от CD-R или CD-RW. Чем оно обусловлено?
29. Что такое флэш-память?
30. Что такое флэш-карта?
31. В чем заключаются преимущества и недостатки флэш-памяти?
32. Какой тип флэш-памяти используется для хранения и переноса данных?